Tài liệu Tổng quan về mạng obs,tìm hiểu và mô phỏng các giải thuật xếp lịch và quá trình thiết lập burst

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập-Tự do-Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Kính thưa các thầy cô trong hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp. Em tên là: Võ Thị Kim Tuyến Là sinh viên lớp 03DT2- Khoa Điện tử viễn thông Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này do em thực hiện, không phải là bản sao chép các đồ án hay công trình nghiên cứu đã có từ trước. Nếu có vấn đề gì xảy ra em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Đà Nẵng tháng 6/2008 Sinh viên thực hiện Võ Thị Kim Tuyến MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................4 MỞ ĐẦU................................................................................................................6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG.......................9 1.1. Giới thiệu chương.....................................................................................9 1.2. Các thế hệ mạng quang.............................................................................9 1.3. Các công nghệ chuyển mạch quang..........................................................10 1.3.1. Chuyển mạch kênh quang OCS................................................................11 1.3.2. Chuyển mạch gói quang OPS...................................................................11 1.3.3. Chuyển mạch chùm quang OBS...............................................................12 1.4. Nguyên tắc thiết lập burst.........................................................................13 1.5. Thời gian offset........................................................................................17 1.5.1. Offset cố định...........................................................................................18 1.5.2. Offset khi không có dự trữ........................................................................19 1.6. Kết luận chương.......................................................................................19 Chương 2 KIẾN TRÚC MẠNG CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG OBS.........20 2.1 Giới thiệu chương.....................................................................................20 2.2 Kiến trúc mạng OBS.................................................................................20 2.2.1. Kiến trúc OBS dạng mắt lưới...................................................................21 2.2.2. Kiến trúc OBS dạng vòng node................................................................22 2.2.3. Cấu trúc và chức năng của node biên........................................................24 2.2.4. Cấu trúc và chức năng của node lõi..........................................................27 2.3 Kết luận chương.......................................................................................29 Chương 3 BÁO HIỆU VÀ GIẢI QUYẾT XUNG ĐỘT TRONG MẠNG OBS...30 3.1. Giới thiệu chương.....................................................................................30 3.2. Báo hiệu trong mạng OBS........................................................................30 3.2.1. Phân loại các giao thức báo hiệu...............................................................31 3.2.1.1. Báo hiệu một chiều, hai chiều hay kết hợp...............................................32 1 3.2.12. Phương thức dự trữ được khởi tạo ở node nguồn, node đích và ở node trung gian................................................................................................................32 3.2.1.3. Phương thức bền (Persistent) hay không bền (Non-Persistent).................33 3.2.1.4 Dự trữ tức thời (Intermediate Reservation) hay dự trữ có trì hoãn (Delayed Reservation)............................................................................................................34 3.2.1.5. Giải tỏa tường minh (Explicit Release) hay không tường minh (Implicit Release) ..................................................................................................................34 3.2.1.6. Báo hiệu tập trung hay phân bố................................................................35 3.2.2. Giao thức báo hiệu JET (Just Enough Time)............................................36 3.2.3. Giao thức báo hiệu TAW (Tell And Wait)...............................................38 3.2.4. Báo hiệu được khởi tạo tại node trung gian INI (Intermediate Node Initiated)..................................................................................................................40 3.2.5. Ví dụ minh họa.........................................................................................42 3.3 Các phương pháp giải quyết xung đột trong mạng OBS...........................43 3.3.1. Các đường dây trễ quang FDL..................................................................44 3.3.2. Bộ chuyển đổi bước sóng.........................................................................45 3.3.3. Định tuyến chuyển hướng.........................................................................46 3.3.4. Phân đoạn burst........................................................................................47 3.4. Kết luận chương.......................................................................................48 Chương 4 CÁC GIẢI THUẬT XẾP LỊCH TRONG MẠNG OBS......................49 4.1. Giới thiệu chương.....................................................................................49 4.2. Các thông số sử dụng trong các thuật toán sắp xếp...................................49 4.3. Các giải thuật xếp lịch cơ bản...................................................................50 4.3.1. Không sử dụng void filling.......................................................................50 4.3.1.1. Giải thuật FFUC.......................................................................................50 4.3.1.2. Giải thuật LAUC......................................................................................51 4.3.2. Có sử dụng void filling.............................................................................52 4.3.2.1. Giải thuật FFUC_VF................................................................................53 4.3.2.2. Giải thuật LAUC_VF...............................................................................55 2 4.3.3. Vấn đề sử dụng FDL trong các giải thuật xếp lịch....................................55 4.3.3.1. Thuật toán không sử dụng FDL................................................................56 4.3.3.2. Thuật toán có sử dụng FDL......................................................................59 4.5 Kết luận chương.......................................................................................60 Chương 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ...............................................................61 5.1. Giới thiệu chương.....................................................................................61 5.2. Giới thiệu phần mềm NS2........................................................................61 5.3. Mô phỏng các giải thuật xếp lịch trong mạng OBS..................................63 5.3.1. Giải thuật FFUC.......................................................................................64 5.3.2. Giải thuật LAUC......................................................................................65 5.3.3. Giải thuật LAUC_VF...............................................................................65 5.3.4. So sánh các giải thuật...............................................................................66 5.3.5. So sánh các thuật toán LAUC có và không sử dụng FDL.........................67 5.3.5.1. Thuật toán LAUC không sử dụng FDL....................................................67 5.3.5.2. Thuật toán LAUC có sử dụng FDL..........................................................68 5.4. Mô phỏng ảnh hưởng quá trình thiết lập burst..........................................68 5.4.1. Ảnh hưởng của thiết lập burst đến độ trễ trong mạng...............................68 5.4.2. Bài toán mô phỏng quá trình thiết lập burst..............................................69 5.4.3. Lưu đồ thuật toán......................................................................................71 5.4.4. Trường hợp một mức ngưỡng có 2 mức ưu tiên.......................................72 5.5 Kết luận chương........................................................................................72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................................74 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................75 PHỤC LỤC.............................................................................................................76 3 CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Access Control ACK Acknowledged ASR Adjustable Synchronous Reservation ARP Acknowledged reservation period AST Acknowledged sending Time BAU Burst assembly Unit BBM Buffered Burst Multiplexer BFUC Best Fit Unscheduled Channel BHC Burst Header Cell BHP Burst Header Packet CP Control packet DCS Data Channel Scheduling DIR Destination Initiated Reservation DR Delay Reservation DTWR Dynamic Two Way Reservation EDFA Erbium Dopted Fiber Amplifier FDL Fiber Delay line FFUC First Fit Unscheduled Channel JIT Just In Time JET Just Enough Time INI Intermediate Node Initiated LAUC Lastest Available Channel LAUC-VF LAUC with void Filling NS Network Simulation NSFNET National Science Foundation Network NAK Not Acknowledged NACK Negative Acknowledged OBS Optical Burst Switching 4 OCS Optical Circuit Switching O/E/O Optical/Electronic/Optical OPS Optical Packet Switching QoS Quality of Service OXC Optical Cross Connect RWA Routing Wavelength Assignment SCU Switch Control Unit SIR Source Initiated Reservation SOA Semiconductor optical Amplifier SDH Synchronous Digital Hierarchy SONET Synchronous Optical Network SSR Strict synchronous reservation TAG Tell and Go TAW Tell and Wait VF Void Filling WADM Wavelength Add-Drop Multiplexer WC Wavelength Conversion WDM Wavelength Division Multiplexing 5 MỞ ĐẦU Trong giai đoạn hiện nay kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM là một giải pháp được lựa chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn nhằm đáp ứng sự phát triển bùng nổ của Internet. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu trên mạng, tốc độ xử lý điện tử có thể không còn phù hợp trong tương lai nữa, đồng thời dữ liệu quang thường bị chậm lại do xử lý điện tử tại các node, do đó việc tìm kiếm một phương pháp chuyển tải các gói IP trực tiếp trên lớp quang mà không cần qua chuyển đổi O/E/O cho mạng thông tin thế hệ sau (NGN) là một tất yếu. Nhằm để xây dựng một mạng toàn quang tại đó dữ liệu được duy trì trong miền quang ở tất cả các node trung gian, cần phải thiết kế các giao thức mới dành cho các hệ thống chuyển mạch quang. Một trong các vấn đề cần thiết là làm thế nào để hỗ trợ việc cung cấp tài nguyên nhanh chóng, truyền dẫn đồng bộ (của các gói kích thước biến đổi như các gói IP) cũng như hỗ trợ mức độ cao việc chia sẻ tài nguyên theo thống kê để xử lý hiệu quả lưu lượng có tính bùng nổ mà không cần có đệm ở lớp WDM (do chưa có các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM). Do đó các phương pháp chuyển tải toàn quang cần phải tránh đệm quang càng nhiều càng tốt. Một vấn đề khác là làm thế nào hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng Internet quang thế hệ sau. Mạng IP ban đầu cung cấp các các dịch vụ besteffort, tuy nhiên hiện nay các ứng dụng thời gian thực (ví dụ điện thoại và hội nghị truyền hình qua Internet) yêu cầu QoS cao hơn các ứng dụng không phải thời gian thực (như Email hay trình duyệt Web thông thường) và do vậy vấn đề đặt ra đối với lớp WDM là làm thế nào hỗ trợ QoS cho Internet quang. Một số công nghệ khác nhau đang được phát triển, như định tuyến bước sóng (chuyển mạch kênh quang OCS), chuyển mạch gói quang OPS và chuyển mạch chùm quang OBS. Các mạng quang định tuyến bước sóng đã được triển khai và đạt được một số hiệu quả nhất định tuy nhiên các mạng quang định tuyến bước sóng lại lại sử dụng chuyển mạch kênh có thể không phải là công nghệ thích hợp nhất cho các ứng dụng khác nhau sử dụng Internet quang. Kỹ thuật chuyển mạch gói quang là một giải pháp công nghệ 6 khác và có lẽ là tối ưu hơn cho các ứng dụng mới. Tuy nhiên trong điều kiện một số công nghệ hiện đại như bộ đệm quang, logic quang vẫn chưa thực hiện được thì chuyển mạch gói quang vẫn chưa thể áp dụng vào thực tế. Chuyển mạch chùm quang là công nghệ trung gian giữa chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang đáp ứng được yêu cầu vận chuyển một lượng lớn dữ liệu qua mạng với tốc độ cao và cung cấp các tính năng mới trong giai đoạn tới. Các vấn đề cần nghiên cứu trong OBS là các giao thức dự trữ và giải phóng tài nguyên, phương pháp thiết lập burst, các giải thuật xếp lịch trên các liên kết đầu ra của mạng OBS. Nội dung đồ án này trình bày tổng quan về mạng OBS trong đó đi sâu tìm hiểu và mô phỏng các giải thuật xếp lịch và quá trình thiết lập burst, mục đích để tìm ra được thuật toán tối ưu nhất cho lượng dữ liệu truyền qua mạng cao nhất và kích thuớc burst cho xác suất mất burst nhỏ nhất để nâng cao chất lượng của mạng OBS. Nội dung đồ án gồm 5 chương:  Chương 1: Tổng quan về chuyển mạch chùm quang.  Chương 2: Kiến trúc mạng chuyển mạch chùm quang  Chương 3: Báo hiệu và giải quyết xung đột trong mạng OBS  Chương 4: Các giải thuật xếp lịch trong mạng OBS  Chương 5:Mô phỏng và kết quả Phương pháp nghiên cứu của đồ án là mô phỏng các giải thuật xếp lịch trên các liên kết đầu ra của mạng OBS, so sánh kết quả của các giải thuật để từ đó tìm ra giải thuật tối ưu. Ngoài ra đồ án còn nêu lên kết quả mô phỏng quá trình thiết lập burst với 2 trường hợp một mức ngưỡng không có mức ưu tiên, một mức ngưỡng và có một mức ưu tiên để từ đó tìm ra kích thước burst tối ưu cho xác suất mất burst nhỏ nhất. Trong quá trình làm đồ án mặc đã cố gắng nhiều nhưng không thể trách khói những sai sót, mong các thầy cô thông cảm và hướng dẫn cho em. Để hoàn thành đồ án này em đã được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn, em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy. Em xin cảm ơn các thầy cô trong 7 khoa điện tử viễn thông đã truyền đạt cho em kiến thức trong năm năm qua, gia đình, bạn bè em đã hỗ trợ em trong suốt quá trình làm đồ án. Cuối cùng em xin tỏ lòng biết ơn bố mẹ đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để em có thể học hành đến ngày hôm nay. Đà Nẵng tháng 6/2008 Sinh viên thực hiện Võ Thị Kim Tuyến 8 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN MẠCH CHÙM QUANG 1.1 Giới thiệu chương Nhu cầu thông tin của con người ngày càng phát triển mạnh mẽ với nhiều loại hình dịch vụ đa dạng. Điều này đặt ra những thách thức đối với hệ thống truyền thông vốn có, vốn được xây dựng chủ yếu phục vụ cho nhu cầu thoại và truyền thông tin không đòi hỏi tốc độ cao. Một yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một hệ thống có khả năng cung cấp băng thông lớn, truyền được một lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao. Sợi quang với những tính chất ưu việt cùng việc ứng dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là một giải pháp hứa hẹn cho mạng Internet thế hệ mới. Một mạng toàn quang là mục tiêu hướng tới nhưng trong tương lai gần chúng ta có thể xây dựng một mạng quang trong suốt ít nhất đối với dữ liệu trong đó dữ liệu được chuyển hoàn toàn trong miền quang còn gói tin điều khiển được chuyển trong miền điện. Các công nghệ chuyển mạch quang được đề xuất như chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch gói quang và chuyển mạch chùm quang, mỗi công nghệ có các ưu và nhược điểm riêng trong đó chuyển mạch chùm quang dung hòa được những ưu và nhược điểm của hai loại chuyển mạch kia và là công nghệ hứa hẹn trong tương lai. Nội dung trong chương này là những nét chính về chuyển mạch chùm quang, ưu điểm của nó so với các công nghệ chuyển mạch khác, các phương pháp thiết lập burst trong mạng chuyển mạch chùm quang OBS. 1.2 Các thế hệ mạng quang Thế hệ đầu tiên là kiến trúc mạng point to point WDM (WDM điểmđiểm). Một mạng như vậy gồm nhiều liên kết điểm điểm, ở đó tất cả các lưu lượng đi vào một node từ một sợi quang được chuyển đổi từ quang sang điện và tất cả các lưu lượng đi ra một node được chuyển đổi từ điện sang quang trước khi đưa vào sợi quang. Việc tách ghép luồng quang bằng cách chuyển đổi quang điện tại mỗi node có thể làm tăng độ trễ và tăng chi phí mạng, do đó, để giảm được độ trễ và giảm đi 9 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang chi phí mạng ta nên xây dựng một mạng toàn quang nghĩa là việc chuyển tiếp gói hoàn toàn trong miền quang. Kiến trúc mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rớt ghép kênh theo bước sóng Wavelength Add-Drop Multiplexer (WADM), trong đó việc tách ghép lưu lượng được thực hiện tại nơi có WADM . WADM có thể tách ra một bước sóng được chọn và cho phép các bước sóng đi qua. Nói chung, lưu lượng đi qua một node thì nhiều hơn lưu lượng cần rẽ tại một node. Do đó bằng việc sử dụng WADM chúng ta có thể giảm được chi phí toàn mạng bằng cách chỉ tách những bước sóng mà đích đến của nó là tại node này còn tất cả các bước sóng khác đi đến node tiếp theo. Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba dựa trên việc kết nối các thiết bị toàn quang. Những thiết bị này thường được phân loại thành passive star, passive router và active switch. Tín hiệu được đưa vào một bước sóng tại ngõ vào sao đó công suất tín hiệu này sẽ được chia đều cho tất cả các ngõ ra (sử dụng cùng bước sóng). Một passive router có thể định tuyến một cách riêng rẽ một trong số nhiều bước sóng ở sợi quang ngõ vào đến một bước sóng giống như vậy ở ngõ ra. Active switch cho phép sử dụng lại bước sóng và có thể hỗ trợ những kết nối liên tục qua nó. Passive star được sử dụng để xây dựng một mạng WDM nôi bộ. Trong khi active switch dùng để xây dựng mạng diện rộng định tuyến bước sóng, Passive router dùng như là một thiết bị mux và demux. 1.3 Các công nghệ chuyển mạch quang Hiện tại có 3 công nghệ chuyển mạch quang là chuyển mạch kênh quang Optical Circuit Switching (OCS), chuyển mạch gói quang Optical Packet Switching (OPS) và chuyển mạch chùm quang Optical Burst Switching (OBS). Mỗi loại có đặc điểm riêng và OBS được cho là công nghệ trung gian ở giữa 2 loại kia vì nó dung hòa được ưu và nhược điểm của cả hai và trở thành công nghệ đầy hấp dẫn và hứa hẹn trong tương lai. 10 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang 1.3.1 Chuyển mạch kênh quang OCS Chuyển mạch kênh quang hay còn gọi là giao thức định tuyến bước sóng quang Wavelength Routed Networking (WRN) trong đó một đường dẫn quang được thiết lập giữa đích và nguồn trước khi truyền dữ liệu. Trong khi truyền dữ liệu không cần node trung gian thực hiện những công việc phức tạp như xử lý header hay đệm tải trọng. Một đường dẫn quang (light path) được sử dụng để cung cấp một kết nối trong mạng WDM định tuyến bước sóng và có thể trải dài trên nhiều liên kết sợi quang. Các bộ chuyển đổi bước sóng tạo ra các bước sóng khác nhau trên các liên kết quang. Trong mạng WRN băng thông được cấp phát tĩnh hay cố định nên không thể thích ứng với lưu lượng dồn dập và thay đổi cao của Internet một cách hiệu quả. Với một số bước sóng giới hạn cho trước chỉ một số lượng đường dẫn quang hạn chế được thiết lập tại cùng một thời điểm. Nếu lưu lượng thay đổi động, lưu lựong truyền qua các đường dẫn tĩnh sẽ làm cho sự tận dụng băng thông kém hiệu quả. Để có thể đáp ứng được yêu cầu về băng thông lớn trong mạng đô thị và mạng diện rộng, những phương thức truyền tải phải hỗ trợ việc dự trữ tài nguyên và có khả năng truyền được lưu lượng đột biến. Nhưng nếu ta cố gắng thiết lập các đường dẫn quang một cách thức động, thông tin trạng thái của mạng sẽ thay đổi liên tục gây khó khăn trong việc cập nhật trạng thái của mạng. Hơn nữa, dự trữ trong WRN là dự trữ hai chiều trong đó khi có nhu cầu nguồn gửi yêu cầu thiết lập đường dẫn quang và nhận về một xác nhận từ đích tương ứng là kết nối đã được thiết lập cho dù kết nối này có dung lượng bao nhiêu, do vậy việc sử dụng băng thông không hiệu quả về mặt kinh tế. 1.3.2 Chuyển mạch gói quang OPS Chuyển mạch gói quang có thể cung cấp băng thông động nên thích hợp với lưu lượng thay đổi của internet vì nó cho phép chia sẻ thống kê các bước sóng thuộc về các đích và nguồn khác nhau. Trong mạng chuyển mạch gói OPS phần header của mỗi gói được tách ra và xử lý trong miền điện còn dữ liệu phải đệm trong miền quang để chờ header được xử lý xong mới được truyền đi. Vì vậy yêu cầu phải có bộ đệm quang nhưng đây là công nghệ vẫn chưa thực hiện được. Hơn 11 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang nữa việc xử lý header trong miền quang không thể thực hiện được trong tương lai gần do chưa có logic quang hoàn toàn nên mặc dù OPS là một công nghệ có nhiều tính năng vượt trội như tốc độ chuyển mạch cao, thích hợp với bản chất của lưu lượng internet nhưng không thực tế trong tương lai gần. Chuyển mạch burst quang Chuyển mạch gói quang Hình 1.1 Cấu trúc của OPS và OBS 1.3.3 Chuyển mạch chùm quang OBS Chuyển mạch chùm quang cũng dựa trên ý tưởng tách gói tin điều khiển như OPS nhưng giữa gói tin điều khiển (BHP) và burst dữ liệu có sự gắn kết chặt chẽ về thời gian hơn trong OPS. Các gói tin được tích hợp thành các burst có chiều dài khác nhau và được gửi đi sau gói tin điều khiển một thời gian offset. Thời gian offset được tính toán sao cho gói tin điều khiển đựợc xử lý xong và hoàn thành việc dự trữ tài nguyên tại các node trung gian. Vì vậy công nghệ bộ đệm quang không bắt buộc. Việc xử lý một BHP cho nhiều gói tin cùng một lúc làm giảm thời gian xử lý header cho từng gói trong OPS. Khác với OCS, OBS sử dụng phương thức dự trữ tài nguyên một chiều truyền dẫn tức thời, nghĩa là burst dữ liệu theo sau một gói tin điều khiển mà không cần chờ chấp thuận của node kế tiếp trên đường đi đến đích nên chiếm dụng tài nguyên hiệu quả hơn OCS. Nó cũng tỏ ra thích hợp với lưu lượng thay đổi đột biến 12 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang của internet và theo các kết quả nghiên cứu cho thấy lưu lượng của internet nhất là các trang web có bản chất burst[ 4]. Do có sự thay đổi về độ dài burst mà mạng OBS được coi là ở giữa mạng OPS và WRN. Khi các burst có chiều dài rất nhỏ, gần với các gói thông tin quang thì mạng OBS được coi là mạng OPS nhưng khi các burst có chiều dài khá lớn thì nó có thể coi là mạng WRN. Hơn nữa chuyển mạch chùm quang được thiết kế để khắc phục các nhược điểm của OCS và OPS. Nếu OCS chỉ thích hợp với các dịch vụ tốc độ cố định như thoại hay truyền hình và chiếm dụng tài nguyên lớn, OPS thì tốc độ cao nhưng đòi hỏi các công nghệ chưa thưc hiện được như bộ đệm quang hay logic quang thì OBS lại đáp ứng được yêu cầu tốc độ thay đổi của các dịch vụ truyền số liệu và do burst dữ liệu được truyền đi sau các gói tin điều khiển một thời gian offset nên không bắt buộc có bộ đệm quang. Vì vậy OBS được xem như công nghệ chuyển mạch quang hứa hẹn nhất trong tương lai cho một lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao. Chuyển Sử dụng Tốc mạch băng quang thông OCS Thấp cao OPS Cao Thấp Độ trễ độ chuyển Cao Thấp bộ overhead mạch Chậm (ms) Nhanh (ns) Khả năng đáp ứng lưu lượng Thấp Thấp Cao Cao Vấn đề chính Không linh động Cần bộ đệm quang Vừa OBS Đồng (có thể ms hay Thấp Cao µs) Bảng 1.1: So sánh các công nghệ chuyển mạch 1.4. Nguyên tắc thiết lập burst Thiết lập burst là quá trình tập hợp và đóng gói ở ngõ vào từ lớp cao hơn thành burst tại node biên ngõ vào của mạng OBS. Có nhiều kỹ thuật được đề xuất 13 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang trong đó hai kỹ thuật được quan tâm nhất là thiết lập dựa vào bộ định thời (timerbased) và dựa trên mức ngưỡng ( threshold –based). Trong phương pháp thiết lập dựa trên bộ định thời, một burst được tạo ra trong mạng theo chu kỳ thời gian, tức là đúng thời gian đã được định sẵn trong bộ định thời thì sẽ tạo ra một burst không quan tâm đến kích thước burst dài hay ngắn. Do đó, chiều dài của burst biến đổi khi tải vào mạng biến đổi. Trong phương pháp dựa trên mức ngưỡng, số lượng gói trong mỗi burst bị giới hạn hay nói cách khác là chiều dài các burst bằng nhau. Phương pháp đóng gói dựa trên mức ngưỡng sẽ không phát các burst theo một chu kỳ thời gian nào cả. Phương pháp đóng gói dựa trên bộ định thời và dựa trên mức ngưỡng tương tự nhau, bởi vì tại tốc độ cố định cho trước thì về giá trị thời gian hay giá trị kích thước có thể thay đổi qua lại (mapping). Một vấn đề đặt ra cho thiết lập burst là làm sao tìm ra giá trị của bộ định thời và kích thước ngưỡng để tối thiểu xác suất mất gói trong mạng OBS. Việc lựa chọn một con số tối ưu cho mức ngưỡng (hay giá trị của bộ định thời) là một vấn đề cần nghiên cứu. Nếu như giá trị ngưỡng quá nhỏ, burst sẽ ngắn, số lượng burst trong mạng sẽ nhiều. Nhiều burst trong mạng dẫn đến nhiều xung đột xảy ra, nhưng số lượng mất gói trung bình trong mỗi lần lại nhỏ. Nhưng với số lượng burst nhiều như vậy sẽ tăng áp lực lên mặt phẳng điều khiển để xử lý các gói điều khiển của mỗi burst dữ liệu. Nếu như thời gian chuyển mạch không được bỏ qua, burst ngắn sẽ dẫn đến việc sử dụng lại tài nguyên trở nên kém đi do phải cần nhiều thời gian cho chuyển mạch. Mặt khác nếu mức ngưỡng quá lớn, burst sẽ dài, số lượng burst vào mạng sẽ nhỏ nhưng số lượng trung bình các gói bị mất trong một xung đột lại lớn hơn nhiều. Do vậy cần một sự cân nhắc giữa số lượng xung đột và số gói mất trong mỗi lần xung đột. Ta cần tính toán để các burst được thiết lập với một kích thước tối ưu để hạn chế đến mức thấp nhất sự mất burst. Tương tự đối với kỹ thuật dựa trên bộ định thời ta phải chọn ra thời gian tốt nhất để kết thúc việc thiết lập burst. 14 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang Trong trường hợp các gói chịu sự hạn chế về QoS, như sự bắt buộc có trễ, giải pháp rõ ràng là thiết lập burst theo thời gian. Giá trị định thời được lựa chọn dựa trên yêu cầu trễ end to end của các gói. Còn trong trường hợp không bắt buộc có trễ, sự thiết lập burst theo chiều dài tỏ ra hợp lý hơn vì các burst có kích thước cố định không thay đổi trong mạng sẽ giúp giảm bớt khả năng mất burst do xung đột (Sự thay đổi chiều dài burst là 0). Bằng cách tính toán giá trị chiều dài burst ngắn nhất, giá trị thời gian định thời dựa trên khả năng chịu trễ của gói ta có thể đạt được xác suất mất burst nhỏ nhất mà vẫn thỏa yêu cầu trễ. Do lưu lượng trong mạng có thể thay đổi nên hiện nay phương pháp thiết lập burst tốt nhất là vừa thiết lập theo thời gian, vừa theo độ dài burst. Trong cách này, burst sẽ được thiết lập trong một khoảng thời gian nhất định, sau thời gian này các burst sẽ được gởi đi mà không xét đến độ dài của burst do đó các burst sẽ có độ dài khác nhau nhưng không nhỏ hơn độ dài qui định, nếu độ dài burst nhỏ hơn độ dài qui định thì một phần bổ sung sẽ được thêm vào phần burst đó để được độ dài qui định nhỏ nhất. Nếu chưa hết thời gian này mà độ dài burst có giá trị bằng độ dài lớn nhất thì burst sẽ được gởi đi trước khi kết thúc thời gian thiết lập burst. 15 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang Hình 1.2 Các phương pháp thiết lập burst theo chiều dài burst và theo thời gian Trong [3], kỹ thuật thiết lập burst dựa trên dự đoán được được giới thiệu, trong đó giá trị ngưỡng của burst hay gán trị định thời của burst kế tiếp được dự đoán dựa trên tốc độ trung bình của lưu lượng tới. Bằng cách sử dụng chiều dài burst dự đoán, gói BHP có thể được gửi đi vào mạng lõi trước khi một burst thực sự được tạo ra và có thể dự trữ tài nguyên trước đó, do đó có thể làm giảm độ trễ do thiết lập burst. Giá trị dự đoán có thể được sử dụng cho việc thiết lập các giá trị mức ngưỡng hay bộ định thời cho burst kế tiếp dựa trên tính tương quan của lưu lượng. Ưu điểm của phương pháp thiết lập burst dựa trên dự đoán là báo hiệu và thiết lập burst có thể thực hiện song song do đó tiết kiệm được thời gian thiết lập burst. Trong lúc thiết lập burst, gói đến ở lớp cao hơn được chứa trong hàng đợi dựa trên đích đến và lớp QoS của chúng. Sau khi tiêu chuẩn thiết lập burst được thỏa mãn (mức ngưỡng kích thích burst hay giá trị của bộ định thời đạt được), burst 16 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang sẽ được tạo ra và gửi vào mạng. Do đó, chúng ta có thể thấy đặc tính đến của gói và phân phối chiều dài gói ảnh hưởng nhiều đến đặc tính đến của burst và phân phối chiều dài burst. Trong lúc thiết lập burst, node biên ngõ vào sắp xếp và lập lịch cho các gói đến vào trong những bộ đệm ngõ vào theo mức QoS và đích đến của nó. Những gói này sau đó được tập hợp thành burst và chứa trong các bộ đệm ngõ ra. Bởi vì mỗi hướng và mỗi lớp dịch vụ yêu cầu một bộ đệm riêng, nên số lượng lớp dịch vụ và kích thước mạng quyết định nhiều đến kích thước của bộ đệm tại node biên ngõ vào. Một tình huống phức tạp hơn khi gói đến có nhiều lớp dịch vụ. trong trường hợp này, các gói đến phải được đóng thành burst cùng với mức ưu tiên của nó vào trong mỗi burst để mạng lõi quang có thể cung cấp các mức dịch vụ khác nhau. Việc lựa chon một cơ cấu thiết lập burst cho tất cả các lớp dịch vụ có thể là không thích hợp. Một phương pháp thiết lập burst dựa trên mức ngưỡng hay bộ định thời với giá trị bộ định thời lớn có thể dẫn đến những độ trễ không chấp nhận được cho các lớp dịch vụ yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ, trong khi chiều dài burst không tối ưu có thể làm tăng độ mất gói đối với các lớp dịch vụ yêu cầu nghiêm ngặt về mất mát dữ liệu. Trong [3] đã nêu lên cách thiết lập burst kết hợp để khắc phục những vấn đề này. Trong phương pháp thiết lập burst kiểu kết hợp, gói từ các lớp dịch vụ khác nhau với những yêu cầu về QoS khác nhau có thể thiết lập trên cùng một burst. Phần mô phỏng quá trình thiết lập burst ở chương 5 sử dụng kỹ thuật thiết lập burst kiểu vi phân hỗ trọ nhiều lớp dịch vụ khác nhau. Trong phương pháp này, loại burst được định nghĩa dựa trên yêu cầu về QoS. Mỗi loại burst sau đó được thiết lập sử dụng một cơ cấu thiết lập thích hợp để chắc chắn rằng đáp ứng được yêu cầu về QoS. Giá trị của bộ định thời dựa trên yêu cầu nghiêm ngặt của độ trễ end-to-end và giá trị của mức ngưỡng được thiết lập bằng giá trị tối ưu của độ dài burst với lưu lượng tải vào mạng nằm trong một dải cho trước. 1.5 Thời gian offset Trong mạng OBS có sự liên kết chặt chẽ về thời gian giữa gói tin điều khiển và burst dữ liệu. Burst được gửi đi ngay sau gói tin điều khiển một thời gian 17 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang offset đủ để dự trữ tài nguyên cho burst tại các node trung gian. Thời gian offset này ít nhất phải bằng thời gian xử lý ở các node của gói tin điều khiển. T offset = ∆. H + Txl + Tch với H là số lượng node chuyển mạch trung gian trên đường truyền và ∆ là thời gian cần thiết để xử lý ở mỗi node. Txl và Tch là thời gian xử lý và chuyển mạch burst ở node đích. Một yêu cầu đặt ra là phải tính toán sao cho thời gian offset không dài quá hay ngắn. Nếu thời gian offset quá ngắn gây ra tình trạng burst được gửi đi khi chưa hoàn thành dự trữ tài nguyên ở các node trung gian, burst đó sẽ bị mất. Ngược lại nếu thời gian offset quá dài làm chậm trễ quá trình truyền burst trong mạng. Một cách để xác định đúng thời gian offset là biết được số node mà burst phải truyền qua trên đường truyền. Tuy nhiên, số lượng node trung gian giữa node nguồn và node đích trong mạng OBS thường không biết trước được và nếu có thể biết được thì do lộ trình có thể thay đổi, sự thay đổi này có thể do định tuyến làm lệch khi có xung đột ở các node trung gian, nên nó cũng không thích hợp khi sử dụng. Do đó vấn đề tính thời gian offset cũng là một vấn đề cần thiết trong mạng OBS. Yêu cầu đưa ra là phải có một giá trị offset không phụ thuộc đường truyền và không yêu cầu sự trao đổi thông tin giữa các node. Trên cơ sở độ lớn của thời gian offset, có thể chia thời gian offset thành các loại. 1.5.1 Offset cố định Offset này được dùng chủ yếu trong giao thức JET, trong đó nó được tính bằng tổng thời gian xử lý gói tin điều khiển ở các node trung gian và node đích cũng như thời gian cấu hình chuyển mạch ở node đích. Với các chuyển mạch tốc độ cao thì có thể giả thiết thời gian xử lý gói tin điều khiển ở các node trung gian là khá nhỏ nên thời gian offset được tính là thời gian xử lý gói tin điều khiển và cấu hình chuyển mạch ở node đích. Ta có thể lấy giá trị lớn nhất trong các thời gian offset tính ở các node đích để làm thời gian offset chung cho toàn mạng. Thời gian offset không phụ thuộc đường truyền làm đơn giản hóa việc tính toán và thực thi các giao thức báo hiệu trong mạng chuyển mạch burst quang. 18 Chương 1:Tổng quan về chuyển mạch chùm quang 1.5.2 Offset khi không có sự dự trữ Trong kiểu offset này burst được gởi đi ngay sau gói tin điều khiển. Thời gian offset này được tính bằng thời gian truyền của gói tin điều khiển. Thời gian offset này chỉ được áp dụng trong mạng có thời gian thiết lập chuyển mạch cũng như xử lý chuyển mạch là rất ngắn. 1.6 Kết luận chương Qua những nội dung đã trình bày trong chương này giúp ta có được cái nhìn tổng quan về công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS, các tính năng vượt trội của cũng như khả năng ứng dụng trong thực tế của OBS so với các công nghệ khác như chuyển mạch kênh quang hay chuyển mạch gói quang. Các phương pháp thiết lập burst dựa trên mức ngưỡng về độ dài burst hay bộ định thời cũng được giới thiệu từ đó đề xuất phương pháp thiết lập burst nhằm mục đích giảm thiểu sự mất burst. Mặc dù chưa được biết đến nhiều như chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang nhưng chuyển mạch chùm quang OBS với những tính năng ưu việt hứa hẹn sẽ trở thành công nghệ chuyển mạch cho tương lai, là giải pháp hiệu quả cho mạng đường trục thế hệ mới. 19